Nel telescopio James-Webb si nascondono tecnologie di Heidelberg

Vista dell'artista di Webb su un razzo Ariane 5. (Copyright: ESA / D. Ducros)

Lavoro in camera bianca: MIRI è uno strumento combinato di fotocamera e spettrometro. Componenti meccanici importanti sono stati sviluppati e costruiti presso il Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg. © Stephen Kill / STFC

Hightech mobile: La ruota dei filtri rende MIRI uno strumento scientifico. Con l'eccezione degli elementi ottici, l'Istituto Max-Planck per l'Astronomia ha pianificato, progettato, costruito e testato questo componente. I 18 elementi ottici includono filtri per restringere la gamma di lunghezze d'onda, coronografi per coprire oggetti luminosi e un prisma. © MPIA / La ruota dei filtri rende MIRI uno strumento scientifico. Con l'eccezione degli elementi ottici, l'MPIA ha pianificato, progettato, costruito e testato la ruota dei filtri. I 18 elementi ottici comprendono filtri per restringere la gamma di lunghezze d'onda, coronografi per coprire oggetti luminosi e un prisma. © MPIA

Foto di gruppo sotto il telescopio: questa foto è stata scattata in occasione di un incontro del consorzio James Webb e mostra le dimensioni dell'osservatorio spaziale. Il modello di questo James Webb Space Telescope corrisponde alle dimensioni dell'originale. © Örs Hunor Detre / MPIA / Questa foto, scattata in occasione di un incontro del consorzio James Webb, mostra le dimensioni del James Webb Space Telescope. Il modello di questo telescopio corrisponde alle sue dimensioni originali. © Örs Hunor Detre / MPIA

La missione del James Webb Space Telescope finora si sta svolgendo con successo. Dopo il lancio nel dicembre 2021, il viaggio verso la posizione di osservazione nel cosiddetto punto di Lagrange L2 e una fase di calibrazione e test della durata di diversi mesi, "James Webb" ora fornisce le prime immagini. A bordo del telescopio spaziale si trovano componenti sviluppati e costruiti presso l'Istituto Max Planck per l'Astronomia. Tra questi c'è una ruota di filtri, che rende lo strumento MIRI del Webb un vero e proprio strumento scientifico, e con cui astronomi e astronome intendono rispondere ad alcune delle domande di ricerca più urgenti. Questo contributo rappresenta un elemento costitutivo che aiuta a garantire anche in futuro il posto dell'Istituto di Heidelberg ai vertici mondiali della ricerca astronomica.

Il 25 dicembre 2021, dopo decenni di pianificazione, sviluppo e costruzione, e dopo diversi ritardi, il telescopio James Webb (JWST) è stato lanciato nello spazio con un razzo Ariane 5 dal centro spaziale europeo di Kourou in Guyana francese. Per due degli strumenti di misura a bordo, l'Istituto Max Planck per l'Astronomia ha contribuito con diversi componenti tecnici centrali. L'istituto di Heidelberg è uno dei principali partner nel consorzio europeo per MIRI (Mid-InfraRed Instrument). In questo contesto, ingegneri e ingegneri dell'istituto, con il supporto della ditta Hensoldt di Oberkochen, hanno sviluppato tra l'altro una ruota di filtri per la fotocamera MIRI e due ruote di reticoli per lo spettrografo MIRI.

«Con proprie divisioni tecniche come laboratori, uffici di progettazione e officine per elettronica e meccanica di precisione, il nostro istituto ha maturato decenni di esperienza nella costruzione di strumenti di misura per satelliti», afferma Oliver Krause, responsabile del gruppo di ricerca per l'astronomia spaziale nell'infrarosso presso l'Istituto Max Planck di Heidelberg e principale responsabile dei contributi tecnici. Questa esperienza è ora decisiva anche nello sviluppo di questi componenti complessi per il JWST.

Inoltre, il team di Krause svolge un ruolo di primo piano nello sviluppo del sistema elettrico dello strumento MIRI. MIRI opererà nel campo dello spettro della luce infrarossa, che comprende lunghezze d'onda tra cinque e 28 micrometri (milionesimi di metro). Lo strumento è così sensibile che potrebbe rilevare una candela su uno dei circa 700 milioni di chilometri di distanza, sul pianeta Giove.

Inoltre, l'Istituto Max Planck per l'Astronomia è coinvolto nello sviluppo di una ruota di filtri e di una ruota di reticoli per lo strumento NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph). NIRSpec copre un intervallo spettrale tra 0,6 e cinque micrometri.

Tutti questi cosiddetti meccanismi criogenici — cioè parti mobili che operano a temperature estreme — devono resistere a temperature fino a -266 gradi Celsius, raggiunte tramite dispositivi di raffreddamento aggiuntivi. In queste condizioni, i lubrificanti e i materiali tradizionali non funzionerebbero. I meccanismi devono operare con precisione, in modo duraturo e, soprattutto, senza bisogno di manutenzione. «Poiché voli di riparazione come quelli effettuati con il telescopio spaziale Hubble non sono possibili con il JWST», afferma Thomas Henning, direttore amministrativo dell'Istituto Max Planck per l'Astronomia. Il James Webb non orbita attorno alla Terra, ma si trova a 1,5 milioni di chilometri dal nostro pianeta. Questa posizione di osservazione è stata raggiunta dalla stazione astronomica alla fine di gennaio 2022.

Le contribuzioni hardware strumentali dell'istituto e dei suoi appaltatori industriali ai due strumenti JWST sono state consegnate con successo alla NASA negli anni 2012/2013. Da allora, gli strumenti hanno dovuto superare una serie di rigorosi test. Il team di Heidelberg ha svolto un ruolo determinante nella preparazione, esecuzione e valutazione di questi test presso la NASA negli Stati Uniti. Inoltre, il team è intensamente coinvolto nello sviluppo del futuro software di elaborazione dati per lo strumento MIRI.

Per i contributi tecnici, gli istituti di ricerca coinvolti ricevono, come compenso, programmi GT (Guaranteed Time = tempo di osservazione garantito). Anche qui, il gruppo di Oliver Krause, in parte in posizione di leadership, è molto coinvolto. Inoltre, gli astronomi e le astronome del Max Planck hanno ottenuto una grande quota del tempo di osservazione, aperto a tutta la comunità scientifica. Solo i migliori programmi, valutati attraverso un processo di revisione, riescono a ottenere questa risorsa limitata di tempo.

Come co-investigatore dello strumento MIRI, Thomas Henning guida uno dei grandi progetti scientifici con questo strumento. «Vogliamo scoprire quale materiale da costruzione si trova nei pianeti in formazione, nelle dischi di gas e polvere attorno a giovani stelle. Per farlo, useremo lo spettrografo MIRI per analizzare la composizione chimica del gas e delle particelle di polvere», afferma lo scienziato. Alcuni ricercatori sono passati negli Stati Uniti presso il suo istituto per condurre ricerche di livello mondiale con il JWST. Laura Kreidberg, anch'essa direttrice presso l'Istituto Max Planck per l'Astronomia, ha ottenuto con successo due proposte di osservazione. Si tratta di studiare le atmosfere degli esopianeti.

Il telescopio spaziale James Webb è stato sviluppato sotto la guida della NASA a partire dal 1996. È considerato il successore del telescopio spaziale Hubble, in vista delle scoperte che ci si aspettano. Hubble ha già fornito immagini impressionanti e scoperte rivoluzionarie da oltre 30 anni. Le aspettative sul JWST sono quindi molto alte.

Informazioni di contesto

Il consorzio MIRI è composto dai paesi membri dell'ESA Belgio, Danimarca, Germania, Francia, Irlanda, Paesi Bassi, Svezia, Svizzera, Spagna e Regno Unito. Il JWST è un progetto congiunto della NASA, dell'ESA e dell'agenzia spaziale canadese CSA.

Il lavoro del consorzio è finanziato dalle organizzazioni scientifiche nazionali, in Germania dalla Max-Planck-Gesellschaft (MPG) e dal Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Le istituzioni tedesche coinvolte sono l'Istituto Max Planck per l'Astronomia di Heidelberg, l'Università di Colonia e la società Hensoldt AG di Oberkochen, ex Carl Zeiss Optronics.